LED光源作为实际应用的照明光源的时间不长,但在实际照明工程中表现出了极大的优势,光源结构紧凑、整体发光效率高、照明设计也更为灵活,但LED光源配光不易实现。现有的大部分LED光源的出射角为110?~120?的圆形光源,如果没有经过配光,会在路面形成一个面积较大的圆斑,如图1所示[1]。为有效利用LED的光线,希望道路照明灯具应将光源发出的光线在空间上合理分配,最终在路面形成照度均匀的矩形光斑,如图2所示。对于大功率路灯来说,光源部分现主要采用单个小功率LED阵列和大功率集成封装LED光源,前者灯具设计受到光源数量和排大幅提高地方列方式等限制,行业中积累了一定的灯具设计经验,而后者光色一致性容易控制,灯具装配简单,但发光面大,并无设计经验可依。

　　在路灯设计中,光源光线的出射角改变程度受限,针对较小出光角要求的设计中无法考虑大角度光源光线,即道路路宽限制了横向出光角的大小,在横向尺度上不易充分利用光源能量,这给非对称自由曲面透镜的设计提出了难题,即在路面长度方向要将光线拉开,使光形有足够的长度,而在路面宽度方向要将光线压缩,使LED发出的光线集中到沿道路长度方向的矩形区域内。

　　目前,一些学者采用自由曲面透镜进行单个LED光源的路灯配光设计,而对大功率集成封装光源配光研究较少。丁毅等人基于光源能量与目标面能量的拓扑对应关系构建了一阶偏微分方程,然后求解透镜的曲面数据,但是建模时曲线拟合会失真,且得到的是正多边形光照面,并不是路灯照明中所要求的矩形。王洪等人也基于能量守恒,划分光源与目标面能量网格来设计自由曲面反射镜,但也会产生建模时曲线拟合失真的问题。

　　本文光源采用大功率集成封装光源,基于能量守恒设计自由曲面透镜,构建道路外部区域光线能量与光源能量的对应关系,只设计这一部分的透镜曲面,采用二次曲线来作为灯具透镜的母线,通过有限个点构建曲线,依据光源性质、照明面的照度要求和照度范围,利用正交优化分析透镜母线的相关参数,最后得到了矩形光斑照明所要求的光学自由曲面透镜。

图1圆形光斑

图2道路要求的矩形光斑

　　1透镜曲线斜率方程

　　在以下的讨论中,定义x方向为路面长度的方向(即沿道路车辆行驶的方向),y方向为路面宽度方向(即垂直于车辆的行驶方向)。

　　常见的自由曲面设计方法有两种:数值优化法和直接法。数值优化法提出了带有若干可变参数的优化函数,要求设计人员具有丰富的经验,由于是反复多次优化,因此设计过程较长。使用直接法的初始条件是己知光源的发光性质和预期照明目标面上的光照分布,通过加入自由曲面透镜,将光源的光线分布与照明目标面的光线分布加以匹配[4]。对匹配光源的光线与照明面的光线分布来说,本文提出了透镜母线的优化方程,在后续设计中运用该方程构造透镜曲面。

　　如图3所示,设光源o位于直角坐标的原点,照明路面的长度为s,照明高度为h,出光角与水平面的夹角为θ,简化设计,设透镜在第一折射面不经过折射,光线只经过透镜第二折射面p点才发生折射。根据Snell定律,可表示为

　　式中:n1为透镜的折射率;n2为空气的折射率;α和β分别为光线的入射角和出射角。